利用混合信號FPGA的片上Flash實現(xiàn)系統(tǒng)管理的替代方法

隨著工藝幾何尺寸越來越小，電子器件趨向于采用多種電壓供電，因此越來越易受到電壓和溫度波動的影響，而且在所有電子系統(tǒng)設計中進行系統(tǒng)管理的重要性也不斷增強。表面上好象無關的一系列任務其實都是以確保系統(tǒng)的正常運作為目標，系統(tǒng)管理任務的重點就是使系統(tǒng)正常運行的時間最長、識別并傳送報警條件，以及記錄數(shù)據(jù)和報警的情況。面對由標準驅動的市場，OEM 廠商若要脫穎而出，當中的關鍵要素是產(chǎn)品的可靠性和正常運行時間。

1 目前系統(tǒng)管理的實現(xiàn)使用大量分立器件

現(xiàn)今系統(tǒng)管理的實現(xiàn)需要大量的分立元器件 (有時數(shù)以百計)，這種由各種固定功能芯片 (圖1) 和分立元件——如 CPLD、實時時鐘、上電控制器件、溫度監(jiān)測器、風扇控制器、非易失性存儲器、PWM 和配置存儲器——構成的系統(tǒng)占用了大量的電路板空間，而它們必須協(xié)調(diào)地工作才能創(chuàng)建緊密的解決方案。除了占用電路板空間之外，大量的元件既增加直接成本 (單元成本、裝配成本和庫存成本)，又增加非直接成本 (設計時間、完成時間和終止時間)。此外，這些由硬件實現(xiàn)的分立解決方案常常需要因為日漸增加的設計變更而更改元件和/或重新設計電路板，這就需要昂貴且耗時的重新質量認證，使到工程師難以創(chuàng)造平臺解決方案。

2 系統(tǒng)管理的替代方法

因為系統(tǒng)管理不是典型板級設計的主要目的，其實現(xiàn)常常會受到忽視。采取反應性的系統(tǒng)管理方法 (針對每項個別任務)，將帶來高成本和高元件數(shù)量問題。然而，如果事先考慮周到的話，設計工程師利用現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 技術便能輕易開發(fā)系統(tǒng)管理解決方案。

FPGA持續(xù)以超越市場平均發(fā)展水平的速度增長，在許多應用中取代了專用集成電路 (ASIC)。然而，用戶對FPGA解決方案必須加以仔細考慮。盡管它們能夠提供靈活性和可重編程能力，但是，以SRAM為基礎的FPGA需要大量的處理以保持正常運作。上電時，以SRAM為基礎的FPGA必須根據(jù)其設計進行配置，并常常需要進行電壓上電順序控制，以防止編程錯誤或其它片上問題。利用以 SRAM為基礎的解決方案還要進行欠壓檢測，因為以基于SRAM結構的 FPGA是易失性器件，用戶必須確保配置存儲器不會因電壓下降而擾亂。對于許多以SRAM為基礎的FPGA來說，低到60mV的電壓變化就足以使器件進入未知狀態(tài)，因此，需要將系統(tǒng)復位。

利用以基于 Flash結構的非易失性FPGA技術就可以避免這些問題。以 Flash 為基礎的混合信號FPGA (如Actel的 Fusion可編程系統(tǒng)芯片) 可以執(zhí)行許多系統(tǒng)管理任務，并提供單芯片實現(xiàn)方案，因而在維持系統(tǒng)可靠性的前提下取代許多分立元件并縮小電路板的空間，同時把成本至少減半。這些平臺中只有一種能夠集成和執(zhí)行所有的系統(tǒng)管理功能，并消除目前系統(tǒng)管理中面臨的“痛苦”和負擔。此外，集成了混合信號解決方案的 Flash 容許設計工程師為許多不同類型的FPGA而存儲設計文件，所以毋需在電路板上采用獨立的配置PROM。再者，與其它可重編程FPGA解決方案相類似，可配置及靈活的混合信號FPGA器件使到設計變更更易于實現(xiàn)，而不論是在開發(fā)過程中或是投入使用之后。

2.1 電源管理

電源管理是最受公認的系統(tǒng)管理功能之一。系統(tǒng)管理的任務包括上電檢測和復位、上電排序、電壓監(jiān)測和微調(diào)、電流監(jiān)測等。因為系統(tǒng)中所有的電源軌都沒有被初始化，電源管理解決方案必須上電即行，且具靈活性，并支持單一高電壓電源。由于每塊獨特的板級設計都具有其自身的一套電源管理要求，電源管理芯片必須具有可配置性，以適應來自板級的獨特和時刻變化的要求。

許多系統(tǒng)從單一高電壓電源獲取電能。例如，高級的夾層卡 (AMC) 常見于先進電信計算架構 (ATCA) 和MicroTCA機架上，通過指定單一的12V電源軌從中引出它們所需的較低電壓電源 (即3.3V、1.8V和0.9V)。最佳的電源管理芯片可以直接連接到并監(jiān)測高電壓電源，而不需要外部支持電路。高電壓工藝容許在模/數(shù)轉換器 (ADC) 中采用電壓較高的參考源，使到ADC具有較高的動態(tài)范圍。

工程師可以把特定的上電順序和斜率編寫到FPGA之中。具有模擬前端及上電即行能力并以Flash 為基礎的FPGA有高度靈活性，可以重復編程并支持到高壓信號的直接連接。此外，由于混合信號FPGA能夠方便地支持相同封裝引腳的多種功能，因此可根據(jù)系統(tǒng)要求在某些引腳上進行電流監(jiān)測，或把某些引腳配置為電壓監(jiān)測器。

2.2 熱管理

維持適當?shù)沫h(huán)境工作狀況是系統(tǒng)管理的一個關鍵要素。當今的智能系統(tǒng)不僅監(jiān)測和管理熱狀況，還會分配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量和數(shù)據(jù)裝載，以便更好地平衡系統(tǒng)及提高性能。利用一體化的溫度監(jiān)測能力，混合信號 FPGA 容許設計工程師方便和有效地維持最佳的系統(tǒng)狀況，從而延長正常運行時間，并通過進一步減少元件和降低成本來提高性能。當今的混合信號 FPGA 解決方案還能夠方便地監(jiān)測最多 10 個遠端的溫度，從而增強這些器件作為優(yōu)秀的熱管理解決方案的地位。遙測溫度的功能使工程師不僅能夠跟蹤電源轉換器、入口或出口空氣的溫度，而且能夠檢測耗電的 FPGA 及處理器。除此之外，這些器件能夠處理風扇控制，以執(zhí)行閉環(huán)的熱管理。

3 診斷和預測

盡管涉及一些成本和風險，現(xiàn)今的典型系統(tǒng)常常能夠完全維持系統(tǒng)的正常運行。然而，工程師常常需要在不添加元件的前提下跟蹤系統(tǒng)的歷史性能或故障。診斷和預測 (或者說確定故障模式并預測它們的能力) 正快速成為系統(tǒng)管理的重要元素。當然，對于系統(tǒng)開發(fā)來說，讀出關于板級系統(tǒng)工作過程的時間戳系統(tǒng)參數(shù)或回顧生產(chǎn)之后的故障分析是非常有價值的工作。類似地，當試圖識別故障模式及設計弱點的時候，把針對板級系統(tǒng)的“黑盒子”綜合起來分析會節(jié)省寶貴的時間和人力。

混合信號FPGA的片上Flash為設計工程師提供了能節(jié)省時間戳關鍵的系統(tǒng)參數(shù)的能力 — 如電源軌的電流消耗、器件溫度和電壓軌的波動。該數(shù)據(jù)不僅可以在故障之后由工程師分析以鑒別故障的根源，而勇于創(chuàng)新的設計工程師正在尋求系統(tǒng)工作期間分析系統(tǒng)趨勢的方法。通過分析板級系統(tǒng)生命期內(nèi)特殊參數(shù)的變化，工程師有可能在故障出現(xiàn)之前就對其進行預測，從而延長系統(tǒng)的正常運行時間。

舉例說，在采樣電機控制應用中，設計工程師可能測量流向線圈及電機轉子的電流，以決定什么時候按照已計劃好的式樣把該設備關停。在工業(yè)應用中，因為確定問題的代價不菲，并且從設備關停開始就要損失利潤，因此，相比計劃關停而言，未經(jīng)計劃關停的成本要高得多。因此，以 Flash 為基礎的混合信號FPGA便能讓設計工程師在板級系統(tǒng)發(fā)生故障之前向維修人員預報故障信息。

對于板級系統(tǒng)設計來說，系統(tǒng)管理功能 (如電源和熱管理) 的問題再也不能事后考慮了。現(xiàn)今的分立和固定功能實現(xiàn)方案都會招致高昂的設計成本，更要求不同的元件和板級變更造成較少的設計反復。單芯片、可配置的 FPGA 實現(xiàn)方案是理想的系統(tǒng)管理解決方案。以 Flash 為基礎的非易失性混合信號 FPGA 如 Actel 的Fusion PSC 能夠減少元件數(shù)量、縮小電路板空間及降低系統(tǒng)總成本，從而提高了其可靠性和延長系統(tǒng)正常運行時間。

責任編輯：gt